激光點(diǎn)焊焊點(diǎn)質(zhì)量監(jiān)測與控制研究_1

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1、第1章緒論第1章緒論1.1引言點(diǎn)焊技術(shù)是目前連接薄板搭接接頭的一種最主要的連接方法，作為一種成熟的焊接工藝在各種工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用都非常廣泛。點(diǎn)焊的種類非常多，有傳統(tǒng)的電阻點(diǎn)焊、電弧點(diǎn)焊，也有近幾年發(fā)展迅速的激光點(diǎn)焊、攪拌摩擦[1-5]點(diǎn)焊和復(fù)合點(diǎn)焊等。目前傳統(tǒng)的電阻點(diǎn)焊依然是最主要的點(diǎn)焊方法，例如在一臺汽車中就存在3000-4000個電阻點(diǎn)焊焊點(diǎn)，大約需要200-300個點(diǎn)焊機(jī)器人。針對不同材料和接頭形式，各種點(diǎn)焊方法都有其獨(dú)特的優(yōu)勢，但也都存在各自的缺點(diǎn)。其中點(diǎn)焊的過程控制和焊點(diǎn)質(zhì)量判別為最突

2、出的難點(diǎn)。以電阻點(diǎn)焊為例，焊接參數(shù)包括焊接電流、電壓，電極壓力及形狀，脈沖周期等多種參數(shù)，因此焊點(diǎn)成形受電、力、熱等多種因素的影響，控制起來非常困難。另外由于焊點(diǎn)的封閉性，人們無法從外觀判斷焊點(diǎn)質(zhì)量，無損檢測手段匱乏，只能通過破壞性檢驗(yàn)來判別焊點(diǎn)質(zhì)量，在生產(chǎn)中就會導(dǎo)致成[6-9]本增加，工期延長。激光點(diǎn)焊技術(shù)作為一種新型的點(diǎn)焊方法已經(jīng)在微電子行業(yè)中的連接和封裝上得到了規(guī)?；膽?yīng)用，這種點(diǎn)焊技術(shù)一般也被稱為微連接或微點(diǎn)焊，使[10-12]用的點(diǎn)焊功率都在幾十瓦以下，脈沖持續(xù)時間為ms級別。近幾年，

3、隨著大功率激光器的開發(fā)和應(yīng)用，激光點(diǎn)焊技術(shù)的應(yīng)用對象開始由最初的電子元器件擴(kuò)大到一些航空產(chǎn)品和汽車工業(yè)中的薄板搭接接頭的連接上。作為一種新型的點(diǎn)焊方法，激光點(diǎn)焊與傳統(tǒng)電阻點(diǎn)焊和新型攪拌摩擦點(diǎn)焊的比較優(yōu)勢如表1-1所示，由于采用激光作為熱源，因此焊點(diǎn)深寬比大，變形小，特別是單面非接觸式的焊接方法可以極大地增強(qiáng)點(diǎn)焊工藝對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性，提高生產(chǎn)效率。對此德國Fraunhofer激光技術(shù)中心專門進(jìn)行過比較，采用激光點(diǎn)焊技術(shù)可以達(dá)到每分鐘點(diǎn)焊240個焊點(diǎn)，且焊點(diǎn)排布方式更靈活，[13]焊點(diǎn)間距、邊距等

4、約束條件的限制有所降低。激光點(diǎn)焊技術(shù)所具有的這些獨(dú)特優(yōu)勢使其可以在很多領(lǐng)域替代傳統(tǒng)的點(diǎn)焊方式。由于激光點(diǎn)焊技術(shù)在結(jié)構(gòu)件上的應(yīng)用剛剛起步，因此對于厚度在0.5mm以上的各種材料激光點(diǎn)焊焊接特性和質(zhì)量監(jiān)測的研究還不充分。隨著應(yīng)用需求的增加，國內(nèi)外研究者開始針對激光點(diǎn)焊技術(shù)進(jìn)行了多方面的研-1-哈爾濱工業(yè)大學(xué)博士學(xué)位論文究和開發(fā)，目前研究重點(diǎn)主要集中在工藝參數(shù)對焊點(diǎn)成形的影響、焊點(diǎn)力學(xué)性能、脈沖波形控制焊點(diǎn)內(nèi)部缺陷、點(diǎn)焊過程質(zhì)量監(jiān)測、以及點(diǎn)焊過程數(shù)值模擬等幾個方面。與激光連續(xù)焊接相比，激光點(diǎn)焊時能量集

5、中于一點(diǎn)輸入，因此在點(diǎn)焊過程中熔池、匙孔、等離子體等激光焊接特征都處于一個動態(tài)變化階段，造成各種傳感信號特征的采集和識別都較為困難，而且焊點(diǎn)內(nèi)部也容易形成氣孔、裂紋等缺陷，因此實(shí)現(xiàn)點(diǎn)焊過程質(zhì)量監(jiān)測和控制是目前亟待解決的問題。表1-1各種點(diǎn)焊方法的比較Table1-1Comparisonofdifferentspotweldingtechnologies點(diǎn)焊方法點(diǎn)焊方式焊點(diǎn)形態(tài)焊接變形自動化程度電阻點(diǎn)焊雙面接觸封閉式焊點(diǎn)較大較高激光點(diǎn)焊單面非接觸熔透焊點(diǎn)較小較高攪拌摩擦點(diǎn)焊單面接觸未熔透焊點(diǎn)較小一

6、般1.2激光點(diǎn)焊技術(shù)的研究現(xiàn)狀激光點(diǎn)焊是以激光作為熱源，激光束通過透鏡聚焦后作用于工件表面一點(diǎn)位置，通過一定的點(diǎn)焊時間熔化工件形成焊點(diǎn)。激光點(diǎn)焊的主要工藝參數(shù)為激光功率和點(diǎn)焊時間，點(diǎn)焊時中也存在一些其它影響因素，例如離焦量、板間間隙、保護(hù)氣流量等等。由于不同反射率的材料對激光能量的吸收效率[14]存在一些差異，因此不同材料的點(diǎn)焊性能也會有很大的區(qū)別。1.2.1激光點(diǎn)焊焊接特性由于都以激光作為熱源，因此各種材料的激光點(diǎn)焊焊接特性與激光連續(xù)焊接較為類似，一般的黑色金屬如低碳鋼、不銹鋼等材料對激光的吸

7、收性能較好，點(diǎn)焊過程較為穩(wěn)定。但是由于激光點(diǎn)焊屬于定點(diǎn)加熱，因此激光點(diǎn)焊時工件某一點(diǎn)位置的熱輸入量要高于激光連續(xù)焊接，這對于一些低熔點(diǎn)材料如鋁合金和鎂合金來說，激光點(diǎn)焊過程中材料的燒損量較大，容易產(chǎn)生氣孔、裂紋、下塌等缺陷，特別是鋁合金材料對激光的反射率較高，導(dǎo)致點(diǎn)焊過程的穩(wěn)定性較差。日本大阪大學(xué)的AkiraMATSUNAWA和加拿大滑鐵盧大學(xué)的Duley等-2-第1章緒論[15,16]人對激光點(diǎn)焊技術(shù)的應(yīng)用及理論研究進(jìn)行了總結(jié)。他們認(rèn)為激光點(diǎn)焊技術(shù)已經(jīng)展示了其特有的優(yōu)勢，在薄板接頭的連接上有很

8、大的應(yīng)用潛力。圖1-1給出了厚度為4mm的碳鋼、不銹鋼、鋁合金和鈦合金的對接點(diǎn)焊焊點(diǎn)表面和橫截面形貌，他們認(rèn)為影響焊點(diǎn)成形的主要工藝參數(shù)為激光能量、脈沖周期和光斑直徑。焊點(diǎn)中也存在一些缺陷，主要為氣孔、裂紋和下塌，金屬的蒸發(fā)損失和飛濺是導(dǎo)致下塌的主要原因。而氣孔和裂紋的產(chǎn)生原因則是由于點(diǎn)焊的加熱和冷卻速度極快，熔池中的氣泡無法在匙孔閉合前溢出。[15]圖1-1不同材料激光點(diǎn)焊焊點(diǎn)表面和橫截面形貌Fig.1-1Surfaceappearanceandcrosssectionoflaserspotw